郁 誠,王 銘,趙宇軒
(1.天津大學(xué)化工學(xué)院,天津 300000;2.江西科技學(xué)院,江西 南昌 330098;3.江蘇大學(xué)京江學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)
水質(zhì)監(jiān)測無人船智能化風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示,利用風(fēng)能、太陽能的互補(bǔ)性,可以獲得比較穩(wěn)定的輸出;系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽能光伏電池組、智能控制器、蓄電池組、逆變器、交流負(fù)載、直流負(fù)載等組成。根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測無人船的空間合理地進(jìn)行設(shè)計(jì)、布局,可以高效率地將太陽能、風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能[3-4];智能控制器實(shí)時(shí)控制蓄電池組的充電與放電;逆變器實(shí)現(xiàn)電流轉(zhuǎn)換,將蓄電池組提供的直流電轉(zhuǎn)換成交流電為交流負(fù)載供電,提高能源的利用率。
圖1 智能化風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)
該系統(tǒng)是集風(fēng)能、太陽能能源發(fā)電技術(shù)及智能控制技術(shù)為一體的復(fù)合可再生能源發(fā)電系統(tǒng)[5]??蛇m應(yīng)多種運(yùn)行環(huán)境,控制方便,在保證同樣供電的情況下,可減少儲能蓄電池的容量。系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)力和太陽輻射變化情況,可以在以下三種模式下運(yùn)行:風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單獨(dú)向負(fù)載供電;光伏發(fā)電系統(tǒng)單獨(dú)向負(fù)載供電;風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合向負(fù)載供電。理論上,水質(zhì)監(jiān)測無人船所需要的電力能源基本可以自給自足。
太陽能發(fā)電系統(tǒng)中,最基本的單元是太陽能電池,把一系列的太陽能電池通過排列后,再串聯(lián)、并聯(lián)組成光伏陣列。“光生伏特”效應(yīng)是太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換原理。當(dāng)太陽發(fā)出的光照射線照射到P-N結(jié)上,形成光生的電子-空穴對,內(nèi)建電場會在太陽能電池內(nèi)產(chǎn)生,空穴會在內(nèi)建電場的影響下流入P區(qū),與此同時(shí),電子將會流入N區(qū)。此時(shí)兩端接通產(chǎn)生回路,電路中就會有電流產(chǎn)生。目前,市場上主流的太陽能電池的種類有三種:單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽能電池。其中,轉(zhuǎn)換率最高的是單晶硅,可高達(dá)至24%;多晶硅次之,僅12%左右;非晶硅最差,而且轉(zhuǎn)化率也不穩(wěn)定。太陽能發(fā)電的通用公式:
式中,L為年發(fā)電量;Q為年輻射總量;S為受熱面積;η為光伏組件的轉(zhuǎn)換效率;η1環(huán)境影響系數(shù)。通過公式(1)可以看出,年發(fā)電量L與年輻射總量、光伏電池的轉(zhuǎn)換效率、發(fā)電環(huán)境等各方面因素相關(guān)。
氣流的流動產(chǎn)生了風(fēng)[6],對于水質(zhì)監(jiān)測無人船,可以使用小型水平軸的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,如圖2所示。與垂直軸相比,水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有啟動風(fēng)速低、更適宜在水面上工作等優(yōu)點(diǎn)。其主要部分為風(fēng)輪、風(fēng)輪葉片、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、支撐架等。
圖2 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)示意圖
當(dāng)氣流流過風(fēng)輪葉片時(shí)就會形成動能,然后帶動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)形成機(jī)械能,再把機(jī)械能傳遞給發(fā)電機(jī),通過發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)換,這就是風(fēng)力發(fā)電的基本原理。風(fēng)流過截面的能量稱為風(fēng)能,又叫風(fēng)的功率(W)。其公式為:
式(2)中,ρ為空氣密度(在標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓強(qiáng)下ρ=1.225 5 kg/m3);V為風(fēng)速(m/s);A為葉片掃掠一圈的受力面積(m2)。
通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特性,由貝茲定律可以得出[7],風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率表示為Pm:
式(3)中,ρ為空氣密度(kg/m3);V為風(fēng)速(m/s);R為葉片的長度;Cp為風(fēng)能利用系數(shù)。(由貝茲定律得出:Cp≈0.593。實(shí)驗(yàn)表明,風(fēng)能的利用系數(shù)Cp將會小于0.593[2],一般在0.15~0.5之間。)
蓄電池是水質(zhì)監(jiān)測無人船的能源核心,給船上的各種監(jiān)測設(shè)備提供能源并用來存儲風(fēng)力、太陽能發(fā)電的儲能元件;充電和放電是蓄電池的兩個(gè)主要功能,科學(xué)選擇蓄電池的材料與合理的使用方法,可以有效提高蓄電池的壽命以及整個(gè)系統(tǒng)的效率[8]。目前,較為廣泛使用的蓄電池種類有鋰離子電池、鉛酸蓄電池[9]。其中,鋰離子蓄電池有使用壽命長、自放電率低、綠色環(huán)保、充電的接受性能極好,同體積下與鉛酸蓄電池相比重量輕和存儲能量大等優(yōu)點(diǎn);缺點(diǎn)是價(jià)格貴,需要保護(hù)線路,防止過充電、過放電等。對于監(jiān)測無人船的空間結(jié)構(gòu)而言,需要蓄電池具有更小體積、更高存儲的容量以及綠色無污染等優(yōu)點(diǎn)。所以,用鋰離子蓄電池作為水質(zhì)監(jiān)測無人船的存儲能源裝置更為合適。同時(shí),智能控制器能檢測鋰離子電池的電量,防止過充與過放,避免對電池造成損傷[10],智能控制器也能控制逆變器,完成電流的轉(zhuǎn)換,以供交流負(fù)載設(shè)施使用。蓄電池在充電時(shí),電流與電壓的變化曲線如圖3所示。
圖3 蓄電池充電時(shí)電壓與電流的變化曲線
設(shè)定溫度為20 ℃,風(fēng)速8 m/s,光照強(qiáng)度200 W/m2,負(fù)載150 W,10 min后風(fēng)速降為2 m/s,20 min后光照強(qiáng)度降為100 W/m2,30 min后負(fù)載加大到300 W模擬惡劣環(huán)境下的系統(tǒng)狀況。當(dāng)輔助能源發(fā)電量下降時(shí),智能控制器將會立即小幅調(diào)動蓄電池的能源;當(dāng)負(fù)載加大時(shí),智能控制器大幅度調(diào)動蓄電池的能源,以保證負(fù)載設(shè)備能正常運(yùn)作。
展望未來,綠色的可再生能源的獲取將會成為一種新的趨勢,將會有更多的設(shè)備與可再生能源掛鉤。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是在已有的技術(shù)基礎(chǔ)上,對硬件和軟件的合理性進(jìn)行設(shè)計(jì)并改進(jìn),為水質(zhì)監(jiān)測無人船設(shè)計(jì)了一個(gè)更穩(wěn)定、更加可靠的系統(tǒng)方案。對可再生能源的利用,減少了環(huán)境的污染與能源的消耗,不僅可以提升水質(zhì)檢測無人船的持續(xù)航行能力,實(shí)現(xiàn)連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測;而且能節(jié)約大量的財(cái)力和人力,有助于我國能源的可持續(xù)發(fā)展。